姜　玲， 陈向东

(西南交通大学 信息科学技术学院，四川 成都 611756)

基于WSNs的就诊服务系统设计与优化

姜玲， 陈向东

(西南交通大学 信息科学技术学院，四川 成都 611756)

摘要:针对医院存在盗卖挂号单、病人盲目就医和排队长等问题，设计就诊服务系统，并对排队现象进行优化。因为指纹具有唯一性、稳定性等特征，可以利用指纹识别技术验证病人身份避免盗卖挂号单的现象。采用JFreeChart图表开发技术绘制医生医技、态度和病人治疗效果的综合得分，病人可以有针对性的选择适合自己的医生。基于Matlab Builder JA实现排队论模型的建立，在上位机界面科学、量化地对排队现象进行描述并优化。通过配置最优的医生人数，使医院服务的成本和病人等待损失的费用之和最小。由于ZigBee技术具有低成本、低功耗等特点，作为本设计的无线通信技术并结合Internet技术，实现病人就诊服务系统。实验表明：该系统能有效地解决病人在就诊中存在的问题。

关键词：就诊服务； 指纹识别； JFreeChart； Matlab Builder JA

0引言

近几年，病人到医院就诊存在很多问题。挂号难、看病难、排队长已经成为病人就医十分严峻的问题。首先盗卖挂号单的现象十分严重，病人一号难求。而且病人在就医时，存在很大的盲目性，挂错号、选错科室的情况时有存在，病人不得不重新退号、排队，造成不必要的浪费[1]。病人“常排队、排队长”的现象得不到改善，大部分时间用在排队上，就诊时间却很短，而且在选择医生上存在很大的盲目性。基于以上问题，本文设计病人就诊服务系统。将指纹识别技术应用到本系统中，利用指纹特征的唯一性对个人身份进行验证具有极高的安全性和易用性，实现了对病人身份的准确识别，避免了盗卖挂号单的现象；设计病人评价模块，病人通过对上位机界面对自己就诊的医生进行客观的评价，同时可以查看医生的综合得分，避免病人盲目就医，做到科学就医；针对排队长的现象，利用排队论理论建立排队论模型并对医生人数的配置进行优化。

由于ZigBee技术具有低功耗、低成本、易扩展、自组织等特点，作为本设计无线通信的技术并结合Internet技术，通过上位机界面实现病人查看医生综合得分，医院管理员建立排队论模型并对排队现象进行优化等功能。

1系统组成与工作流程

病人就医服务系统主要由底层ZigBee无线传感器网络、

GSM短消息提醒模块和上位机管理系统组成。底层无线传感网络主要由指纹识别挂号节点、指纹识别就诊节点、路由节点和协调器组成。GSM短消息提醒模块主要是用来通知马上就诊的病人。上位机管理系统是基于MVC模式的B/S架构通过JavaWeb技术和SQLServer2005数据库设计实现的。系统总体结构示意图如图1所示。

图1　系统结构示意图Fig 1　Diagram of system structure

当ZigBee网络组建成功，病人在挂号窗口挂号时，通过指纹识别挂号节点采集指纹，对指纹进行预处理及特征值提取，将其特征值保存到指纹特征数据库中，并将其个人相关信息保存到相关数据库中，同时获得一个就诊号，病人拿着就诊号到指定的门诊室排队就诊。病人到门诊室就诊时，需要通过指纹识别就诊节点验证其身份，采集的指纹与挂号节点录入指纹的数据库中的指纹特征值进行匹配，若匹配成功，方可就诊。如果匹配不成功，就诊节点则会产生声光报警。如果马上轮到某个病人就诊，系统通过GSM网络提前发送提醒短息给该病人，通知马上到指定的门诊室就诊，以免错过治疗。病人可以登录上位机界面对就诊的医生进行评价打分，查看医生的综合得分，选择适合自己的医生，管理员在上位机界面建立排队论模型并配置合适数目的医生为病人看病。

2门诊挂号与就诊模块设计

门诊就诊模块主要由ZigBee无线传感网络和GSM发送短信模块组成。指纹识别挂号节点主要是采集病人的指纹，并将指纹的特征值保存到数据库中；就诊节点主要用来验证病人身份；路由节点负责信息的路由；协调器主要是负责网络的组建、维护、控制终端节点的加入和汇聚各终端节点发送过来的数据，与上位机进行串口通信[2]。下面着重介绍指纹识别就诊节点和GSM发送短信的设计。

2.1指纹识别节点设计

系统中ZigBee节点的核心模块均采用的是TI公司CC2530芯片，它能够以非常低的成本建立强大的网络节点。

就诊节点采用光学指纹采集模块FPM10A作为指纹的采集、存储和匹配，它由一个光学指纹传感器和一片TI公司生产的DSP微处理器组成。其硬件设计主要包括CC2530节点模块、光学指纹采集模块FPM10A、按键电路、液晶显示电路、声光报警电路、电源电路等外围电路。

就诊节点成功加入ZigBee网络后，医生按下指纹采集按键，发送采集病人指纹的指令，当采集到的病人指纹的特征值与数据库中指纹模板特征值匹配成功，方可就诊。匹配信息封装成数据包通过路由节点和协调器上传到数据库服务器中，对应的数据库表中显示该病人状态为已就诊。若匹配不成功，驱动声光报警，医生拒绝给该病人治疗。软件设计的流程图如图2所示。

图2　指纹识别就诊节点软件设计Fig 2　Software design of fingerprint identification node

2.2GSM发送提醒短息设计

GSM发送短信模块采用的是德国Siemens公司的无线通信GSM模块TC35。GSM模块发送短信一般常用的有基于AT指令的Text模式和PDU(protocoldataunit)模式。虽然Text模式开发简单、实现方便，但不支持中文短信的发送。而PDU模式尽管开发起来比较复杂，但同时支持中文和英文短信的发送[3]。因为该系统是向病人发送提醒消息，故选择PDU模式，当病人到门诊就诊之后，对应的数据库表中的状态为已就诊，而没有就诊的病人状态则为未就诊，发送短信软件设计的流程图如图3所示。

图3　GSM发送短信流程图Fig 3　Flow chart of GSM message sending

3病人评价模块设计

病人通过上位机界面对就诊的医生进行评价。上位机系统是基于MVC模式的B/S架构的上位机管理系统。病人就诊之后，对医生的态度、医技和治疗效果进行客观的打分，分数会上传到数据库服务器中，采用JFreeChart绘制医生的综合得分柱状图。JFreeChart是采用Java语言编写的图表开发工具包，使用Java类库对数据进行统计分析，基于Web绘制各种图表[4]。病人对医生的评价的分数保存到数据库中，JFreeChart获取数据表中的集合对象在JSP页面中生成医生态度、医技和治疗病人的效果得分柱状图的图表。医生综合得分如图4所示。

图4　医生综合得分柱状图Fig 4　Bar charts of doctors’scores

4排队论模型的建立与优化

病人到门诊就诊，“常排队，排队长”的现象得不到改善。如果医院只是盲目性的增加医生，则会造成不必要的资源浪费。如何合理、科学的安排医生，使病人排队的时间尽可能的缩短，同时降低医院的服务费用，是建立排队论模型的关键。

从费用上对排队论模型进行优化，一般来说有两种费用：一种是病人在等待治疗时的等待损失费用，另一种是诊室医生为病人治疗的服务成本费用。设总费用为病人等待损失费用与诊室的服务成本费用之和[5]，当总费用的最小值存在时，即是图5中的总费用达到最低点，对应的医生人数即为最优的数目。

图5　医生人数与费用的关系[5]Fig 5　Relationship between number of on-dutydoctors and costs[5]

4.1排队论模型的建立

排队论，是研究服务对象在排队系统中等待服务的一门数学运筹学的分支学科，也是研究服务系统中排队现象随机规律的学科，主要由三部分组成：输入过程、排队规则和服务机构[6]。

病人到达医院的过程是随机的，互不干扰的，稳定的，相继到达的时间间隔也是随机的。一般病人到达的过程服从泊松流，病人到达的时间间隔服从负指数分布。排队规则主要有损失制、等待制和混合制[7]。在本设计中选择等待制中的先来先服务规则。服务结构指门诊医生，服务台数目为多台，排队论模型主要由输入过程(X为病人到达时间间隔分布)、服务时间(Y)、服务台并联个数(Z)来描述，用X/Y/Z表示，因此建立排队论M/M/C模型。根据李特尔公式，排队论相关指标计算公式如下：

系统的服务强度

ρ=λ/sμ

(1)

服务台空闲概率

(2)

排队等待人数

(3)

系统中平均逗留人数

Ls=Lq+sρ

(4)

病人在系统中平均排队等待的时间

(5)

病人平均逗留时间

(6)

式中ρ为每个服务台单位时间内的平均服务时间，λ为病人平均到达率，μ为平均服务率。

4.2排队论仿真与优化

基于MatlabBuilderJA和JavaWeb技术实现M/M/C模型的建立。MatlabBuilderJA将M函数文件创建成一个Java组件，它支持Matlab的所有功能[8]。首先在Matlab中编写排队论程序，采用MatlabBuilderJA编译器将进行数据处理的m文件编译成相应的jar包，在MyEclipse中编写调用它的Servlet程序，并将其部署到Tomcat服务器中，在B/S架构下通过上位机界面中输入Matlab程序参数并提交给服务器，服务器结合WebFigure图形方式的使用，调用MCR完成所需的计算，将实验结果直观地返回，实现了交互式操作[8]。

对于M/M/C排队论模型，设总费用为z=as+bLs,其中,a为单位时间内平均每个医生的服务成本，s为医生的个数，b为单位时间内平均每个病人排队等待的损失成本，Ls为平均的排队长。假设参数如下：病人平均到达率为0.5人/min，平均服务率为0.125人/min，病人单位时间等待的成本为30元/h，医生单位时间服务的成本为80元/h。当设置2个医生，仿真得到的结果如图6所示。

图6　设置2个医生的仿真结果Fig 6　Simulation results of setting two doctors

从图6可知:有些病人的离开时刻减去到达时刻远远超过了30min，而且病人随着人数的增加，等待时间和逗留时间逐渐递增。当设置6个医生时，仿真得到的结果如图7所示。

图7　设置6个医生的仿真结果Fig 7　Simulation results of setting six doctors

从图7可知:病人的离开时刻明显变小，离开时刻减去到达时刻最多都不会超过30min，而且病人的等待时间减少，逗留时间呈现较大的波动性。当配置不同数目的医生，总费用如表1所示。

表1　配置不同数目的医生对应的总成本

根据表1可知:当医生人数从3人增加到6人，成本逐渐降低又升高，当配置医生人数为5人时，总费用为最低,因此,配置5个医生是最优的数目。

5结论

本文设计病人就诊服务系统，利用指纹识别技术实现了对病人身份的准确识别；采用JFreeChart组件绘制医生得分的柱状图；建立排队论模型并对其优化，当配置医生人数为5个时，是最优的数目。

参考文献:

[1]李天庆，尹琳.加强就医引导提高患者满意度[J].中国医院，2008(11):58-59.

[2]秦永益,赵建平,崔忠辉,等.基于CC2430和GSM的病房短信查询系统的设计[J].通信技术，2013(9):72-74.

[3]谢少波.单片机控制TC35的短信群发系统[J].电子技术,2006(6):72-73.

[4]吴宏波.基于JFreeChart技术的Web数据图表化表现[J].电子科技,2010(1):97-99.

[5]刘学鹏.基于排队论的医院门诊科室医生精细配置优化研究[D].天津：天津商业大学,2014:25-26.

[6]张建航,李宗成,宋晓峰.单服务员排队模型及其蒙特卡洛模拟[J].现代电子技术,2006(24):44-45.

[7]周文正.排队论模型在医疗服务系统中的应用研究[D]. 武汉：华中科技大学,2011:4.

[8]程赛.基于MatlabBuilderJA的QPSK调制解调在线仿真[J].信息通信，2012(5):45-46.

DesignandoptimizationofmedicalservicesystembasedonWSNs

JIANGLing，CHENXiang-dong

(SchoolofInformationScienceandTechnology,SouthwestJiaoTongUniversity,Chengdu611756,China)

Abstract:Aiming at problems such as scalpers sell numbers at a high price,patients see a doctor blindly and often queuing in hospital, a medical service system is designed and queuing phenomenon is improved.Because fingerprint has some characteristics,such as uniqueness and stability,and so on, which can be used to verify identity of patients.Based on the way of making charts by JFreeChart which draws bar charts that visually demonstrates the grades of doctors’ medical technology,attitude and patients’ treatment effect,so that patients can chose a doctor aimly.Using Matlab Builder JA builts a queuing model based on queuing theory,scientificly and quantitatively describe and optimize phenomenon of queuing on upper PC.By configuring the optimal number of doctors,minimize the total costs of patients waiting and doctor’s service.Because ZigBee technology has characteristics of low power consumption and low cost,which is regarded as wireless communication technology and combined with Internet technology to achieve medical service system for patients.Experiment shows that the system can effectively solve existing problems of medical service for patients.

Key words:medical service; fingerprint identification; JFreeChart; Matlab Builder JA

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)04—0104—04

收稿日期：2015—07—17

中图分类号：TP 393

文献标识码：A

文章编号：1000—9787(2016)04—0104—04

作者简介:

姜玲(1994-)，女，山西朔州人，硕士研究生，主要研究方向为无线传感器网与嵌入式系统。